第 9 章 反常积分
本章整理无穷限反常积分、无界函数反常积分的定义、性质、判别法与计算。反常积分把定积分推广到无限区间或无界函数的情形,是级数理论的重要参照。
9.1 无穷限反常积分
9.1.1 定义
设 $f$ 在 $[a,+\infty)$ 上每有限区间上可积。若极限 $$\lim_{b\to+\infty}\int_a^b f(x),\mathrm dx$$ 存在(有限),则称反常积分 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx$ 收敛,并定义 $$\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx=\lim_{b\to+\infty}\int_a^b f(x),\mathrm dx.$$ 若极限不存在,则称该反常积分发散。
- 类似定义 $$\int_{-\infty}^b f(x),\mathrm dx=\lim_{a\to-\infty}\int_a^b f(x),\mathrm dx.$$
- 对 $\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x),\mathrm dx$,定义为 $$\int_{-\infty}^{+\infty}f(x),\mathrm dx =\int_{-\infty}^c f(x),\mathrm dx+\int_c^{+\infty}f(x),\mathrm dx,$$ 其中 $c$ 任意。当且仅当右端两个积分都收敛时,原积分收敛。
- 注意:$\displaystyle\lim_{R\to+\infty}\int_{-R}^R f(x),\mathrm dx$ 存在,不能推出 $\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}f(x),\mathrm dx$ 收敛。前者称为柯西主值。
- 几何意义:曲边区域向无穷远处延伸时的面积。
9.1.2 $p$ 积分
$$\int_a^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^p}\quad(a>0)$$
- 当 $p>1$ 时收敛,且 $$\int_a^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^p}=\frac{a^{1-p}}{p-1}.$$
- 当 $p\le1$ 时发散。
- 特别地,$\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x}$ 发散,$\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^2}$ 收敛。
9.2 无界函数反常积分(瑕积分)
9.2.1 定义
设 $f$ 在 $(a,b]$ 上每有限闭子区间上可积,且在 $a$ 的右邻域内无界。若极限 $$\lim_{\varepsilon\to0^+}\int_{a+\varepsilon}^b f(x),\mathrm dx$$ 存在(有限),则称瑕积分 $\displaystyle\int_a^b f(x),\mathrm dx$ 收敛,并定义为其极限值;否则称发散。
- 类似定义奇点在 $b$ 或内点 $c\in(a,b)$ 的情形。
- 奇点在 $c$ 时,必须分别考虑 $\displaystyle\int_a^c$ 与 $\displaystyle\int_c^b$,两者都收敛才算原积分收敛。
- 奇点称为瑕点。
9.2.2 $p$ 积分
$$\int_a^b\frac{\mathrm dx}{(x-a)^p}\quad(a<b)$$
- 当 $p<1$ 时收敛,且 $$\int_a^b\frac{\mathrm dx}{(x-a)^p}=\frac{(b-a)^{1-p}}{1-p}.$$
- 当 $p\ge1$ 时发散。
- 类似地, $$\int_a^b\frac{\mathrm dx}{(b-x)^p}$$ 当 $p<1$ 时收敛,$p\ge1$ 时发散。
9.2.3 与无穷限积分的转化
- 通过代换可把瑕积分化为无穷限积分,反之亦然。例如令 $t=\dfrac1{x-a}$,可把 $a$ 处的瑕积分化为无穷限积分。
- 因此两类反常积分的判别法可以平行建立。
9.3 反常积分的性质
9.3.1 线性性质
若 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx$ 与 $\displaystyle\int_a^{+\infty}g(x),\mathrm dx$ 都收敛,则 $$\int_a^{+\infty}\left[\alpha f(x)+\beta g(x)\right]\mathrm dx =\alpha\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx+\beta\int_a^{+\infty}g(x),\mathrm dx.$$
9.3.2 区间可加性
若 $f$ 在 $[a,+\infty)$ 上每有限区间可积,则对任意 $c>a$, $$\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx =\int_a^c f(x),\mathrm dx+\int_c^{+\infty}f(x),\mathrm dx,$$ 且两端同时收敛或同时发散。
9.3.3 牛顿-莱布尼茨公式
若 $F$ 是 $f$ 在 $[a,+\infty)$ 上的原函数,且 $\lim\limits_{x\to+\infty}F(x)$ 存在,则 $$\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx=F(+\infty)-F(a),$$ 其中 $F(+\infty)=\lim\limits_{x\to+\infty}F(x)$。
- 瑕积分类似: $$\int_a^b f(x),\mathrm dx=F(b)-F(a+),$$ 其中 $F(a+)=\lim\limits_{x\to a^+}F(x)$(当 $a$ 为瑕点时)。
9.3.4 换元与分部
- 换元法与定积分类似,但必须保证换元后的反常积分收敛性对应。
- 分部积分: $$\int_a^{+\infty}u,\mathrm dv=\left.uv\right|_a^{+\infty}-\int_a^{+\infty}v,\mathrm du,$$ 其中 $\left.uv\right|a^{+\infty}=\lim\limits{b\to+\infty}u(b)v(b)-u(a)v(a)$,要求极限存在。
9.3.5 柯西收敛准则
$\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx$ 收敛当且仅当:对任意 $\varepsilon>0$,存在 $M>a$,使对任意 $A,B>M$,都有 $$\left|\int_A^B f(x),\mathrm dx\right|<\varepsilon.$$
9.4 非负函数的判别法
以下设 $f(x)\ge0$,$g(x)\ge0$。
9.4.1 比较判别法
- 若从某点以后 $f(x)\le Cg(x)$($C>0$),且 $\displaystyle\int_a^{+\infty}g$ 收敛,则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f$ 收敛。
- 若从某点以后 $f(x)\ge Cg(x)$($C>0$),且 $\displaystyle\int_a^{+\infty}g$ 发散,则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f$ 发散。
9.4.2 极限比较法
设 $$\lim_{x\to+\infty}\frac{f(x)}{g(x)}=l.$$
-
若 $0<l<+\infty$,则两个积分同敛散。
-
若 $l=0$,且 $\displaystyle\int_a^{+\infty}g$ 收敛,则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f$ 收敛。
-
若 $l=+\infty$,且 $\displaystyle\int_a^{+\infty}g$ 发散,则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f$ 发散。
-
常用参照:$\displaystyle\int_a^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^p}$($p>1$ 收敛)。
-
瑕积分常用参照:$\displaystyle\int_a^b\frac{\mathrm dx}{(x-a)^p}$($p<1$ 收敛)。
9.4.3 常用判别结论
- 若 $f(x)=O\left(\dfrac1{x^p}\right)$($x\to+\infty$)且 $p>1$,则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f$ 收敛。
- 若 $f(x)\sim\dfrac{C}{x^p}$($x\to+\infty$),则积分与 $\displaystyle\int\frac{\mathrm dx}{x^p}$ 同敛散。
- 若 $f(x)=O\left(\dfrac1{(x-a)^p}\right)$($x\to a^+$)且 $p<1$,则瑕积分收敛。
9.5 一般函数的判别法
9.5.1 绝对收敛
若 $\displaystyle\int_a^{+\infty}|f(x)|,\mathrm dx$ 收敛,则称 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx$ 绝对收敛。
定理:绝对收敛必收敛。
- 反之不成立:$\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x},\mathrm dx$ 收敛,但 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{|\sin x|}{x},\mathrm dx$ 发散。
- 收敛但不绝对收敛的反常积分称为条件收敛。
9.5.2 狄利克雷判别法
设: (1)$f$ 在 $[a,+\infty)$ 上每有限区间可积,且 $\displaystyle\int_a^x f(t),\mathrm dt$ 有界($x\ge a$); (2)$g$ 单调,且 $\lim\limits_{x\to+\infty}g(x)=0$, 则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x)g(x),\mathrm dx$ 收敛。
- 典型例子:$f(x)=\sin x$,$g(x)=\dfrac1{x^p}$($p>0$),故 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x^p},\mathrm dx$ 对一切 $p>0$ 收敛。
9.5.3 阿贝尔判别法
设: (1)$\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x),\mathrm dx$ 收敛; (2)$g$ 单调且有界, 则 $\displaystyle\int_a^{+\infty}f(x)g(x),\mathrm dx$ 收敛。
- 阿贝尔判别法适用于把一个收敛积分乘上一个单调有界因子的情形。
9.5.4 条件收敛的例子
$$\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x},\mathrm dx$$
- 收敛性:由狄利克雷判别法,取 $f(x)=\sin x$,$g(x)=\dfrac1x$。
- 非绝对收敛性:在一个周期上, $$\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}\frac{|\sin x|}{x},\mathrm dx\ge\frac1{(k+1)\pi}\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}|\sin x|,\mathrm dx=\frac2{(k+1)\pi},$$ 而 $\displaystyle\sum\frac1k$ 发散,故绝对值积分发散。
9.6 常见反常积分
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-ax},\mathrm dx=\frac1a$($a>0$)。
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}x^n\mathrm e^{-ax},\mathrm dx=\frac{n!}{a^{n+1}}$($a>0$,$n\in\mathbb{N}$)。
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-x^2},\mathrm dx=\frac{\sqrt\pi}2$(高斯积分)。
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\sin x}{x},\mathrm dx=\frac\pi2$(狄利克雷积分)。
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{1+x^2}=\frac\pi2$。
- $\displaystyle\int_0^1\ln x,\mathrm dx=-1$。
- $\displaystyle\int_0^1x^{a-1},\mathrm dx=\frac1a$($a>0$)。
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}x^{a-1}\mathrm e^{-x},\mathrm dx=\Gamma(a)$($a>0$;见第 19 章)。
- $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^p}$ 收敛当且仅当 $p>1$。
- $\displaystyle\int_0^1\frac{\mathrm dx}{x^p}$ 收敛当且仅当 $p<1$。
9.7 判别流程
- 找出所有奇点(无穷远点或瑕点)。
- 若积分区间内有多个奇点,先拆成每个区间只含一个奇点的积分。
- 判断被积函数是否变号:
- 不变号:用比较判别法或极限比较法;
- 变号:先判断绝对收敛,再用狄利克雷/阿贝尔判别法判断条件收敛。
- 计算时先求原函数,再取极限;若原函数难求,只判断敛散性。
- 注意:不能把发散积分随意相减或拆分;只有在各部分都收敛时才能使用线性性质。
练习
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计算 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^2}$。
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判断 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{\sqrt x}$ 的敛散性。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-2x},\mathrm dx$。
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计算 $\displaystyle\int_0^1\frac{\mathrm dx}{\sqrt x}$。
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判断 $\displaystyle\int_0^1\frac{\mathrm dx}{x^2}$ 的敛散性。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}x\mathrm e^{-x},\mathrm dx$。
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计算 $\displaystyle\int_0^1\ln x,\mathrm dx$。
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判断 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x^2},\mathrm dx$ 的敛散性。
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判断 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x},\mathrm dx$ 是绝对收敛还是条件收敛。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{1+x^2}$。
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判断 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{x+1}{x^3+1},\mathrm dx$ 的敛散性。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^2+2x+2}$。
检测题
-
讨论 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^p}$ 的敛散性($p\in\mathbb{R}$)。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}x\mathrm e^{-x^2},\mathrm dx$。
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计算 $\displaystyle\int_0^1x^{-2/3},\mathrm dx$。
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判断 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\ln x}{x},\mathrm dx$ 的敛散性。
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判断 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\sin x}{\sqrt x},\mathrm dx$ 是绝对收敛还是条件收敛。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{(1+x^2)^2}$。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-\sqrt x},\mathrm dx$。
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判断 $\displaystyle\int_2^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x\ln x}$ 的敛散性。
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计算 $\displaystyle\int_0^1\frac{\mathrm dx}{\sqrt{1-x^2}}$。
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计算 $\displaystyle\int_0^{+\infty}\frac{\arctan x}{1+x^2},\mathrm dx$。
参考答案与提示
- $$\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^2} =\lim_{b\to+\infty}\left[-\frac1x\right]_1^b=1.$$
- $p=\dfrac12\le1$,故发散。也可直接计算: $$\int_1^b x^{-1/2},\mathrm dx=2\sqrt b-2\to+\infty.$$
- $$\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-2x},\mathrm dx =\left[-\frac12\mathrm e^{-2x}\right]_0^{+\infty}=\frac12.$$
- $$\int_0^1x^{-1/2},\mathrm dx=\left[2\sqrt x\right]_0^1=2.$$
- $p=2\ge1$,故发散。直接计算得 $\displaystyle\lim_{\varepsilon\to0^+}\left(\frac1\varepsilon-1\right)=+\infty$。
- 分部积分: $$\int_0^{+\infty}x\mathrm e^{-x},\mathrm dx =\left[-x\mathrm e^{-x}\right]_0^{+\infty}+\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-x},\mathrm dx=1.$$
- $$\int_0^1\ln x,\mathrm dx =\lim_{\varepsilon\to0^+}\left[x\ln x-x\right]_\varepsilon^1=-1.$$
- 因为 $\left|\dfrac{\sin x}{x^2}\right|\le\dfrac1{x^2}$,而 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^2}$ 收敛,故原积分绝对收敛。
- 由狄利克雷判别法,$\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\sin x}{x},\mathrm dx$ 收敛。但 $$\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}\frac{|\sin x|}{x},\mathrm dx\ge\frac2{(k+1)\pi},$$ 且调和级数发散,故绝对值积分发散。因此是条件收敛。
- $$\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{1+x^2} =\lim_{b\to+\infty}\arctan b=\frac\pi2.$$
- 当 $x\to+\infty$ 时, $$\frac{x+1}{x^3+1}\sim\frac{x}{x^3}=\frac1{x^2},$$ 而 $\displaystyle\int_1^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x^2}$ 收敛,故原积分收敛。
- 配方: $$\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{(x+1)^2+1} =\left[\arctan(x+1)\right]_0^{+\infty} =\frac\pi2-\frac\pi4=\frac\pi4.$$
检测题参考答案
- 当 $p\ne1$ 时, $$\int_1^b\frac{\mathrm dx}{x^p} =\frac{b^{1-p}-1}{1-p}.$$ 当 $p>1$ 时,$b^{1-p}\to0$,积分收敛于 $\dfrac1{p-1}$;当 $p<1$ 时,$b^{1-p}\to+\infty$,积分发散。当 $p=1$ 时,$\ln b\to+\infty$,发散。故 $p>1$ 时收敛,$p\le1$ 时发散。
- 令 $u=x^2$,$\mathrm du=2x,\mathrm dx$: $$\int_0^{+\infty}x\mathrm e^{-x^2},\mathrm dx =\frac12\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-u},\mathrm du=\frac12.$$
- $$\int_0^1x^{-2/3},\mathrm dx=\left[3x^{1/3}\right]_0^1=3.$$
- 令 $u=\ln x$,则 $\mathrm du=\dfrac{\mathrm dx}{x}$, $$\int_1^{+\infty}\frac{\ln x}{x},\mathrm dx =\int_0^{+\infty}u,\mathrm du,$$ 发散。
- 由狄利克雷判别法($f(x)=\sin x$,$g(x)=x^{-1/2}$ 单调趋于 $0$),积分收敛。但 $$\int_{k\pi}^{(k+1)\pi}\frac{|\sin x|}{\sqrt x},\mathrm dx \ge\frac{2}{\sqrt{(k+1)\pi}},$$ 且 $\displaystyle\sum\frac1{\sqrt k}$ 发散,故绝对值积分发散。因此是条件收敛。
- 令 $x=\tan t$,$\mathrm dx=\sec^2t,\mathrm dt$, $$\int_0^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{(1+x^2)^2} =\int_0^{\pi/2}\cos^2t,\mathrm dt=\frac\pi4.$$
- 令 $t=\sqrt x$,$x=t^2$,$\mathrm dx=2t,\mathrm dt$: $$\int_0^{+\infty}\mathrm e^{-\sqrt x},\mathrm dx =2\int_0^{+\infty}t\mathrm e^{-t},\mathrm dt=2.$$
- 令 $u=\ln x$,则 $$\int_2^{+\infty}\frac{\mathrm dx}{x\ln x} =\int_{\ln2}^{+\infty}\frac{\mathrm du}{u},$$ 发散。
- $$\int_0^1\frac{\mathrm dx}{\sqrt{1-x^2}} =\left[\arcsin x\right]_0^1=\frac\pi2.$$
- 令 $u=\arctan x$,$\mathrm du=\dfrac{\mathrm dx}{1+x^2}$: $$\int_0^{+\infty}\frac{\arctan x}{1+x^2},\mathrm dx =\int_0^{\pi/2}u,\mathrm du=\frac{\pi^2}8.$$